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            國家納米中心在大面積有機(jī)光伏器件制備的成膜動力學(xué)研究中獲進(jìn)展


            來源:中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心

            [導(dǎo)讀]  目前,實(shí)驗(yàn)室制備的小面積有機(jī)光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率已接近20%,但囿于未有清晰成熟的成膜動力學(xué)指導(dǎo),有機(jī)光伏器件在放大組件面積時(shí)面臨著效率損失問題。

            中國粉體網(wǎng)訊  制備高性能的大面積有機(jī)光伏器件,是推動有機(jī)光伏走向產(chǎn)業(yè)化所必須解決的難題。目前,實(shí)驗(yàn)室制備的小面積有機(jī)光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率已接近20%,但囿于未有清晰成熟的成膜動力學(xué)指導(dǎo),有機(jī)光伏器件在放大組件面積時(shí)面臨著效率損失問題。


            在前期研究中,中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員魏志祥和張建齊等發(fā)現(xiàn),在大面積有機(jī)光伏器件的制備過程中,微小的分子結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致劇烈的成膜過程變化。研究顯示,在含鹵溶劑氯仿中能夠取得相似光電轉(zhuǎn)化效率(~18%)的兩個非富勒烯受體Qx-1和Qx-2,在鄰二甲苯中卻有巨大的反差(13.7。ァ∨c0.65%),而兩個分子在成膜的結(jié)晶時(shí)間上存在顯著差異。


            圖1. 原位光譜表征結(jié)果。(a-c)原位光譜瀑布圖;(d-f)光譜疊圖;(g-i)生長-移動模型擬合光譜演化結(jié)果。



            圖2. 聚集控制的大面積有機(jī)光伏器件制備的成膜動力學(xué)圖解


            為了探究分子結(jié)構(gòu)在大面積有機(jī)光伏器件制備的成膜動力學(xué)中的影響,該團(tuán)隊(duì)選擇了三個烷基鏈存在細(xì)微區(qū)別的Y系列同系物分子(Y6、N3、L8-BO)與PM6共混,采用狹縫涂布法制備大面積有機(jī)光伏器件。該工作采用原位吸收光譜、原子力顯微鏡及掠入射廣角X射線散射,并結(jié)合分子動力學(xué)模擬的結(jié)果解析成膜動力學(xué)機(jī)制。原位光譜表征表明三種結(jié)構(gòu)相似的受體分子在成膜時(shí)吸收光譜演化趨勢存在顯著差異,呈現(xiàn)出“生長”和“移動”的二元模式(圖1)。后續(xù)的多尺度結(jié)構(gòu)分析表明,三種不同的分子呈現(xiàn)出不同的聚集形態(tài)特征,且分子堆積模式存在明顯區(qū)別。從分子動力學(xué)中提取出的星型三聚體及其進(jìn)一步組裝形成的聚集體,其特征能夠同時(shí)體現(xiàn)“生長”模式的吸收光譜演化以及符合掠入射廣角X射線散射結(jié)果;谝陨蠈(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果,該研究提出了聚集控制的大面積有機(jī)光伏器件制備成膜動力學(xué)(圖2)。動力學(xué)模型提出,分子烷基鏈與主骨架相互競爭導(dǎo)致分子聚集類型的變化,進(jìn)而逐層級地決定有機(jī)光伏器件的活性層形貌及器件性能。聚集態(tài)的分布由分子結(jié)構(gòu)本征決定,但可通過濃度、溶液溫度和給體-受體分子的相互作用進(jìn)行調(diào)制,為有機(jī)光伏材料的分子設(shè)計(jì)及加工工藝調(diào)整提供了重要參考。


            相關(guān)研究成果以Concretized structural evolution supported assembly-controlled film-forming kinetics in slot-die coated organic photovoltaics為題,發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。


            (中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀)

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